家用教育娛樂(lè)機(jī)器人的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

□文/宋宇寧、劉世昌

家用教育娛樂(lè)機(jī)器人的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

□文/宋宇寧、劉世昌

家用教育娛樂(lè)機(jī)器人是集電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和人工智能等多種技術(shù)于一體的嵌入式系統(tǒng)硬件產(chǎn)品，它的普及與廣泛應(yīng)用是未來(lái)機(jī)器人行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。該類型產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)需要結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制、導(dǎo)航與視覺(jué)識(shí)別、傳感器數(shù)據(jù)采集、智能監(jiān)控及人工智能等多項(xiàng)技術(shù)。作為這些技術(shù)的硬件載體，機(jī)器人控制器是家用教育娛樂(lè)機(jī)器人的靈魂，機(jī)器人控制器的選擇不但決定了產(chǎn)品的主要功能及成本，也成為家用教育娛樂(lè)機(jī)器人產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵。

宋宇寧 沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，嵌入式硬件工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)工作

劉世昌 沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，副總工程師，負(fù)責(zé)制定技術(shù)方案及硬件、電氣設(shè)計(jì)規(guī)范

區(qū)別于其他的智能硬件產(chǎn)品，家用教育娛樂(lè)機(jī)器人幾乎具備了人的一切特征。這其中，被稱為機(jī)器人核心技術(shù)的“兩器一系統(tǒng)”是這些特征的關(guān)鍵組成部分：機(jī)器人控制器好比是人的大腦，配合應(yīng)用軟件使機(jī)器人有了思維、語(yǔ)言、記憶及情感；機(jī)器人傳感器就是人的五官，使機(jī)器人有了和人一樣，甚至比人更靈敏的視覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)及聽(tīng)覺(jué)；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)器人本體組成了人的四肢和軀干，可以讓機(jī)器人比人跑得更快，跳得更遠(yuǎn)。試想，這樣的馬兒跑得好，還不吃草，只要價(jià)格能夠接受，哪個(gè)家長(zhǎng)不想請(qǐng)這樣的一個(gè)機(jī)器人作為孩子的成長(zhǎng)顧問(wèn)與生活伴侶呢？

圖1：大華樂(lè)橙小樂(lè)機(jī)器人

當(dāng)今市場(chǎng)上的家用教育娛樂(lè)機(jī)器人產(chǎn)品琳瑯滿目，層出不窮，雖然不能替代父母在孩子成長(zhǎng)中的作用，但有些產(chǎn)品已經(jīng)能夠通過(guò)自主學(xué)習(xí)與良好的人機(jī)交互體驗(yàn)成為孩子的良師益友，是父母上班后孩子的重要生活伙伴。根據(jù)產(chǎn)品的市場(chǎng)定位及行走方式的不同，家用教育娛樂(lè)機(jī)器人可以細(xì)分為三種類型，包括桌面型互動(dòng)機(jī)器人、輪式家用機(jī)器人、雙足教育機(jī)器人。接下來(lái)，作者將帶領(lǐng)大家深入這些機(jī)器人產(chǎn)品的內(nèi)部，對(duì)機(jī)器人的“大腦”進(jìn)行剖析，對(duì)機(jī)器人的各個(gè)“器官”進(jìn)行拆解，揭開(kāi)家用教育娛樂(lè)機(jī)器人產(chǎn)品的神秘面紗。

桌面型互動(dòng)機(jī)器人 孩子們的掌中寶

桌面型互動(dòng)機(jī)器人通常體積較小，功能以互動(dòng)娛樂(lè)為主，且不需要復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，處理器的選用通常為采用ARM體系結(jié)構(gòu)的中低端手機(jī)或者平板電腦的芯片。產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，是家用教育娛樂(lè)機(jī)器人的入門(mén)級(jí)產(chǎn)品，也是家用機(jī)器人廠商紛紛爭(zhēng)搶的市場(chǎng)。但是這類產(chǎn)品往往要通過(guò)增強(qiáng)人機(jī)交互體驗(yàn)來(lái)體現(xiàn)機(jī)器人的價(jià)值，否則會(huì)被手機(jī)和平板電腦搶走他們的飯碗。

大華樂(lè)橙的小樂(lè)機(jī)器人以其呆萌的造型和比較完善的陪伴功能受到了小朋友們的關(guān)注。他的“大腦”是一顆英特爾凌動(dòng)系列Z8350-T3四核處理器，主頻達(dá)到1.92GHz，同時(shí)具有圖形處理單元12EU 500MHz Gen8-LP，可以使小樂(lè)完成人臉識(shí)別功能，并主動(dòng)識(shí)別出每一位家庭成員。除此之外，他還具有自動(dòng)抓拍、智能提醒、指令響應(yīng)、遠(yuǎn)程操控、視頻對(duì)話、知識(shí)問(wèn)答、育兒早教等功能。這些功能能夠讓家庭成員和孩子聯(lián)動(dòng)起來(lái)，并能陪伴孩子的成長(zhǎng)，使機(jī)器人成為孩子們的掌上好伙伴。這款機(jī)器人目前售價(jià)3999元，在桌面機(jī)器人中屬高端產(chǎn)品。

圖2：JIBO家寶機(jī)器人外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

JIBO機(jī)器人來(lái)自MIT家庭機(jī)器人領(lǐng)域的專家Cynthia Breazeal之手，是一款典型的桌面型家用陪伴型機(jī)器人。它可以通過(guò)攝像頭識(shí)別家庭成員，與家庭成員進(jìn)行語(yǔ)音交互，并通過(guò)不斷學(xué)習(xí)，成為家庭生活的助手。

JIBO機(jī)器人的核心是一款來(lái)自著名GPU生產(chǎn)廠商英偉達(dá)的Jetson TX1處理器，內(nèi)部具有四核ARM Cortex-A57架構(gòu)微處理器，單核頻率達(dá)到1.73GHz，同時(shí)具有256核GPU，非常適用于圖像識(shí)別及視覺(jué)應(yīng)用的算法加速。JIBO機(jī)器人內(nèi)部擁有大量的電子部件，包括高分辨率立體相機(jī)、六個(gè)麥克風(fēng)、一對(duì)音箱、一個(gè)LCD觸摸屏、兩個(gè)冷卻風(fēng)扇、WiFi和藍(lán)牙模塊、LED燈、觸控傳感器等。將TX1處理器和這些硬件進(jìn)行連接，就構(gòu)成了機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)。

圖3：JIBO家寶機(jī)器人硬件框圖

JIBO設(shè)計(jì)中最巧妙的部分是其身體結(jié)構(gòu)。它包含三個(gè)大致圓柱形的結(jié)構(gòu)，分別用作基座、軀干和頭部，它們之間按一定的角度連接在一起。當(dāng)機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這三個(gè)部件之間也會(huì)發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，表現(xiàn)出各種各樣的姿勢(shì)。旋轉(zhuǎn)動(dòng)作是通過(guò)機(jī)器人體內(nèi)的三個(gè)直流電機(jī)和傳動(dòng)帶共同完成的，整個(gè)過(guò)程非常平穩(wěn)，也不會(huì)產(chǎn)生噪聲。機(jī)械結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，無(wú)限位，所有的電線都位于機(jī)器人軀體的中心，以免在旋轉(zhuǎn)時(shí)纏繞起來(lái)。

JIBO擁有兩個(gè)高清攝像頭，用于識(shí)別和追蹤面部、照相和視頻聊天。他會(huì)識(shí)別并且記住每一個(gè)家庭成員，通過(guò)面部識(shí)別為不同的人提供不同的服務(wù)。 360°全向的麥克風(fēng)和自然語(yǔ)言處理系統(tǒng)方便用戶在任何方向?qū)χ堇锏腏IBO說(shuō)話，他都能聽(tīng)到并識(shí)別。當(dāng)收到郵件或者一些待辦事項(xiàng)通知時(shí)，JIBO在看到你后會(huì)把它們朗讀出來(lái)，無(wú)需任何額外的操作。JIBO通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法具備一定的學(xué)習(xí)能力，長(zhǎng)時(shí)間使用后它會(huì)記住每一個(gè)家庭成員的習(xí)慣和行為模式，更好地在生活中為家庭成員服務(wù)。JIBO熟悉人類的社交習(xí)慣，因此在和 JIBO交流時(shí)，用戶會(huì)感到非常的自然，它可以陪伴家里的孩子，為他們講故事。

輪式家用機(jī)器人 保姆管家一把抓

輪式家用機(jī)器人通常依靠雙輪驅(qū)動(dòng)，使機(jī)器人能夠在家中自由地行走。他們不僅能夠陪伴兒童，看護(hù)老人，且能夠通過(guò)自主導(dǎo)航技術(shù)在家中巡邏，報(bào)告家中的異常情況，是一種集多種功能于一身的管家機(jī)器人。由于價(jià)格相對(duì)較高，輪式家用機(jī)器人的銷量要低于桌面型的互動(dòng)機(jī)器人，但隨著功能的不斷完善和成本的不斷降低，輪式家用機(jī)器人將會(huì)成為未來(lái)幾年內(nèi)家用機(jī)器人的主流產(chǎn)品。

雷動(dòng)云合的雷大白是一款具備兒童陪伴、老人看護(hù)及自主導(dǎo)航功能的管家機(jī)器人。不僅外形可愛(ài)憨厚，他還具有8核2.0GHz的高速處理器，有了這樣強(qiáng)勁的“大腦”，他能夠輕松完成看家護(hù)院的任務(wù)。通過(guò)2D深度攝像頭的數(shù)據(jù)采集以及圖像優(yōu)化算法的處理，大白能夠建立家中的地圖，并在家庭環(huán)境中自主行走，自動(dòng)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常情況會(huì)通過(guò)手機(jī)自動(dòng)報(bào)警。家庭成員還可以通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程控制大白監(jiān)控家中的環(huán)境，將圖像顯示在手機(jī)上，和家中的孩子視頻，享受機(jī)器人帶給家人的無(wú)限樂(lè)趣。目前該產(chǎn)品已經(jīng)接受預(yù)定。

北京進(jìn)化者小胖機(jī)器人是一款功能豐富的家用教育娛樂(lè)機(jī)器人，他的身高達(dá)到1米，可以通過(guò)導(dǎo)航功能在室內(nèi)自主行走，他的功能包括了教育功能、娛樂(lè)功能、服務(wù)功能、智能監(jiān)控幾個(gè)大類，定位于高端家用市場(chǎng)，為家庭成員們量身定制的一個(gè)智能伙伴。

在機(jī)器人控制器的選擇方面，由于機(jī)器人功能較多，對(duì)圖形和算法運(yùn)算速度的要求較高，所以選擇了英偉達(dá)的Jetson TX1作為核心處理器。為實(shí)現(xiàn)各模塊功能，小胖機(jī)器人在上位機(jī)和下位機(jī)分別采用了兩種控制器。其中，上位機(jī)控制板采用ARM Cortex-A系列微處理器，連接WiFi路由模塊、音響模塊、攝像頭、顯示屏及聲音采集定位等模塊，主要用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能；下位機(jī)控制器則采用Nvidia Jetson TX1嵌入式處理器，連接電源模塊、定位導(dǎo)航模塊、投影模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及凈化器等模塊，實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、移動(dòng)投影、空氣凈化、傳感器數(shù)據(jù)采集等功能。

圖4：雷動(dòng)云合管家機(jī)器人雷大白

圖5：進(jìn)化者小胖機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

作為一款功能豐富的教育娛樂(lè)機(jī)器人，除了具有百科全書(shū)、單詞翻譯、英語(yǔ)教學(xué)等功能，他的娛樂(lè)性能也非常強(qiáng)大，內(nèi)置移動(dòng)投影及體感游戲功能。用戶可以將喜歡觀看的電影和視頻通過(guò)小胖機(jī)器人內(nèi)置的微型投影機(jī)投射到家里的墻壁上，并可通過(guò)游戲手柄和攝像頭體驗(yàn)機(jī)器人內(nèi)置的體感游戲。除此之外，小胖機(jī)器人還具有一些比較實(shí)用的服務(wù)功能。包括空氣凈化、家電遙控、運(yùn)送物品、緊急報(bào)警、定時(shí)提醒、遠(yuǎn)程視頻及遠(yuǎn)程遙控等功能，通過(guò)多種實(shí)用功能豐富用戶的互動(dòng)體驗(yàn)。

小胖機(jī)器人目前擁有標(biāo)準(zhǔn)版和尊享版兩個(gè)版本，標(biāo)準(zhǔn)版官網(wǎng)售價(jià)為12988元，尊享版與標(biāo)準(zhǔn)版相比擁有更高的性能及更大的存儲(chǔ)空間，售價(jià)為16988元。此外，進(jìn)化者還提供小胖的商用版，可根據(jù)需求定制小胖機(jī)器人的功能，并對(duì)微型投影儀和空氣凈化等功能模塊進(jìn)行選配，使得小胖機(jī)器人在商用領(lǐng)域具有一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

雙足教育機(jī)器人 麻雀雖小五臟俱全

雙足教育機(jī)器人是家用教育娛樂(lè)機(jī)器人中最復(fù)雜的一種，他可以像人一樣使用雙足完成直立行走。這不僅需要高性能硬件的支持，還需要成熟的軟件控制算法，對(duì)機(jī)器人的行走步態(tài)及平衡進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制。目前，大型的雙足機(jī)器人由于高昂的成本及復(fù)雜的控制算法很少出現(xiàn)在家用領(lǐng)域。更多的機(jī)器人研發(fā)公司將小型的雙足機(jī)器人作為市場(chǎng)的切入點(diǎn)，引起消費(fèi)者對(duì)于雙足機(jī)器人的關(guān)注。而學(xué)術(shù)界通常將小型的雙足機(jī)器人作為機(jī)器人專業(yè)的教育輔助工具，吸引更多的機(jī)器人愛(ài)好者及在校學(xué)生投入到雙足機(jī)器人的開(kāi)發(fā)工作中來(lái)。

提到小型的雙足機(jī)器人，來(lái)自法國(guó)Aldebaran Robotics 公司的NAO機(jī)器人具有舉足輕重的地位。他是世界范圍內(nèi)學(xué)術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的雙足機(jī)器人，他的身高為58cm、體重5.4kg，擁有25個(gè)自由度，因取代了索尼的機(jī)器狗AIBO成為機(jī)器人世界杯比賽的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)而世界聞名。目前超過(guò)6000個(gè)NAO機(jī)器人已被全球50個(gè)國(guó)家的1000多所高校和實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買作為研究工具。

圖6：進(jìn)化者小胖機(jī)器人硬件框圖

作為一款教育娛樂(lè)類的人形機(jī)器人，除了具有唱歌、跳舞、踢足球、語(yǔ)音交互等功能外，他還開(kāi)放了編程接口，使得用戶能夠在上位機(jī)通過(guò)圖形化的編程方式為機(jī)器人設(shè)定一套動(dòng)作，或者編輯語(yǔ)音交互的內(nèi)容，成為一個(gè)可定制內(nèi)容與服務(wù)的智能人形機(jī)器人。NAO機(jī)器人的一大亮點(diǎn)是它全身遍布的多種傳感器模塊，包括接觸傳感器、慣性傳感器、位置傳感器、紅外收發(fā)器及聲吶測(cè)距模塊等，使他具備了人的“五官”，也使他擁有了對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行感知的硬件條件。

NAO機(jī)器人主控制器芯片采用Intel凌動(dòng)系列Z530處理器，該芯片主頻為1.6GHz，內(nèi)存1GB，閃存2GB，擴(kuò)展內(nèi)存8GB，處理器運(yùn)行基于Linux的Gentoo版本操作系統(tǒng)。主控制板上通過(guò)有線以太網(wǎng)口與上位機(jī)連接，用于圖形化編程及二次開(kāi)發(fā)。而內(nèi)置的WiFi模塊則用于接入云端。主控板上還集成了CODEC芯片，連接揚(yáng)聲器及攝像頭實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。主控板還連接了一塊高度復(fù)用的以DSP為核心的驅(qū)動(dòng)板卡，用于連接紅外收發(fā)模塊用于紅外指令的學(xué)習(xí)及智能家電的遙控。主控板與ARM9的微控制器板采用USB接口連接?；贏RM9的微控制器板卡通過(guò)485總線連接DSP驅(qū)動(dòng)板，用于連接身體各部位的直流有刷電機(jī)及用于閉環(huán)控制的編碼器。微控制器板卡上還通過(guò)I2C接口連接了聲吶、加速度計(jì)、陀螺儀等傳感器模塊，用于行走避障及行走姿態(tài)的反饋。

NAO機(jī)器人的一個(gè)重要特性是它具有摔倒管理器及摔倒后的自動(dòng)站立功能。無(wú)論機(jī)器人向哪個(gè)方向摔倒，他都能夠通過(guò)加速度計(jì)和陀螺儀實(shí)時(shí)檢測(cè)自身的位姿并通過(guò)內(nèi)置的摔倒保護(hù)程序自動(dòng)站起。

在2016年的春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)上，來(lái)自優(yōu)必選公司的540臺(tái)Alpha機(jī)器人整齊的舞蹈動(dòng)作給人們留下了深刻的印象。作為一款高性能的雙足機(jī)器人，Alpha2選用了三星的基于ARM Cortex-A15體系結(jié)構(gòu)的Exynos 5260六核處理器，并搭載2GB內(nèi)存，800萬(wàn)像素?cái)z像頭，具備20個(gè)自由度，可以靈活模擬人類骨骼肢體動(dòng)作。同時(shí)他還具有英文翻譯、個(gè)人助理、天氣播報(bào)、唱歌、跳舞、瑜伽指導(dǎo)等豐富的功能。

在價(jià)格方面，Alpha2的官網(wǎng)售價(jià)是19999元，Alpha1 Pro價(jià)格是4999元，Alpha 1S售價(jià)是3999元，可根據(jù)個(gè)人需求選購(gòu)不同的產(chǎn)品。

未來(lái)五年迎接家用教育娛樂(lè)機(jī)器人的搶灘登陸

隨著生活水平的不斷提高，人民對(duì)生活質(zhì)量的要求也日益提高。伴隨著二孩政策的全面放開(kāi)，家用教育娛樂(lè)機(jī)器人的需求量必會(huì)與日俱增，市場(chǎng)上的各類機(jī)器人產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)更加激烈。機(jī)器人廠商想要在這片市場(chǎng)上率先搶灘登陸，就要在硬件處理器的選擇和成本的控制上進(jìn)行一番較量。

圖7：NAO機(jī)器人外觀及傳感器分布圖

通過(guò)對(duì)桌面型互動(dòng)機(jī)器人、輪式家用機(jī)器人、雙足教育機(jī)器人這三個(gè)市場(chǎng)比較有代表性的家用教育娛樂(lè)類型的機(jī)器人產(chǎn)品的介紹以及硬件方案的分析，可以總結(jié)出這些機(jī)器人在控制器及硬件方案選擇上存在的差異。因?yàn)楦咝阅艿奶幚砥魍鶅r(jià)格不菲，機(jī)器人廠商在選擇機(jī)器人控制器時(shí)會(huì)對(duì)機(jī)器人的產(chǎn)品類別進(jìn)行定位，對(duì)功能進(jìn)行一番取舍。桌面型陪伴機(jī)器人的功能以互動(dòng)娛樂(lè)為主，控制器的選擇傾向于性價(jià)比高的ARM v7架構(gòu)處理器；雙足機(jī)器人的步態(tài)控制較為復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)電機(jī)眾多且較為昂貴，功能上注重二次開(kāi)發(fā)與編程，目前更多的被用于學(xué)校的教學(xué)研究及機(jī)器人大賽，處理器則以x86架構(gòu)或ARM架構(gòu)的單板電腦為主；以小胖機(jī)器人為代表的較大型的家用服務(wù)機(jī)器人則整合了智能家居、互動(dòng)娛樂(lè)、自主導(dǎo)航與定位等多種功能，處理器則選用更高性能的ARMv8架構(gòu)的處理器或具有高性能GPU的英偉達(dá)Jetson TX1/TX2系列處理器。

未來(lái)五年，隨著硬件迭代速度的進(jìn)一步提升以及行業(yè)硬件及傳感器解決方案的不斷成熟，硬件價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)將告一段落。隨著視覺(jué)導(dǎo)航、人工智能等技術(shù)在家用機(jī)器人上的不斷發(fā)展，處理器的選擇更傾向于運(yùn)算能力更快的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)，而軟件算法的競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)日趨白熱化，人臉識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、人機(jī)交互等功能的完美體驗(yàn)將成為產(chǎn)品在競(jìng)爭(zhēng)中勝出的關(guān)鍵。雖然目前處理器價(jià)格較高，軟件算法還有待進(jìn)一步完善，但隨著機(jī)器人控制器、傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)的不斷成熟及軟件算法的不斷革新，相信家用智能機(jī)器人服務(wù)千家萬(wàn)戶的理想不久就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

圖8：NAO機(jī)器人硬件框圖

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